基于電解鋁控制特性的穩(wěn)控切負荷方法

何燁，楊揚，陳義宣，李玲芳，支剛

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)研究中心，云南 昆明 650011；2.中國能源建設(shè)集團云南省電力設(shè)計院有限公司，云南 昆明 650051）

0 前言

如果某地區(qū)電解鋁用電負荷達到一定比例，當N-2故障導(dǎo)致電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題，特別是熱穩(wěn)定問題時，穩(wěn)控系統(tǒng)切除電解鋁用電負荷是最直接有效的手段[1]。由于電解鋁用電負荷較大且供電可靠性要求高，如果對電解鋁全廠負荷進行切除，不僅有全廠停電造成的電解生產(chǎn)經(jīng)濟損失和負荷大量過切，根據(jù)國務(wù)院第599號令[2]和南網(wǎng)事故調(diào)查規(guī)程[3]還可能造成電力安全事故。目前，國內(nèi)外尚沒有對電解鋁部分負荷切除的統(tǒng)一有效方法[4-8]，對于已建成的電解鋁廠，運行單位多采用運行方式控制和事故備案的被動防御措施，大大影響了電網(wǎng)正常運行的靈活性。

因此，為避免上述經(jīng)濟損失和電力安全事故的發(fā)生，提高電解鋁相關(guān)電網(wǎng)的運行靈活性，有必要對電解鋁部分負荷的切除方法進行研究，為穩(wěn)控系統(tǒng)設(shè)備配置和策略研究提供重要參考。

1 電解鋁整流控制系統(tǒng)

現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)采用冰晶石-氧化鋁融鹽電解法，工作溫度在950 ℃-970 ℃之間。電解生產(chǎn)停電時間一般不能超過30 min；停電時間過長，槽溫降低，不能進行正常生產(chǎn)，甚至電解質(zhì)凝固，除縮短電解槽使用壽命外，嚴重時電解槽內(nèi)襯破損，經(jīng)濟損失嚴重（單臺槽數(shù)十萬元）；每個電解系列均設(shè)置有保溫電流，當工作電流大于保溫電流時保證電解質(zhì)不凝固和設(shè)備不損壞。電解生產(chǎn)一級負荷為電解直流用電，約占總負荷的95%；其他為二三級負荷，為電解輔助、生活辦公等用電，約占總負荷的5%。

目前，國內(nèi)外電解生產(chǎn)主要采用兩種整流方案：二極管整流和晶閘管整流[9-12]。除部分大型電解廠采用大功率二極管整流外，其余大多采用晶閘管整流。兩種整流方式的控制元件分別為自飽和電抗器和晶閘管，其中晶閘管整流方式調(diào)節(jié)速度相對較快。

為保證生產(chǎn)直流用電的可靠性，電解槽負載由至少N+1臺整流機組供電，電流越大的系列整流機組越多，整流機組之間互為備用。正常工況下所有N+1臺整流機組全部投入運行（非滿載），各臺整流機組之間采用大閉環(huán)控制，即一旦有一臺或多臺機組保護動作跳閘，剩余功率將轉(zhuǎn)移至其他正常運行機組；同時，每臺整流機組均采用小閉環(huán)控制，即采用單機組穩(wěn)流和均流閉環(huán)控制，同時設(shè)置電流上限，保證任何情況下電流不超過設(shè)定值。

2 電解鋁切負荷量計算

2.1 可切整流機組臺數(shù)

在對電解鋁整流機組可切除臺數(shù)計算時，一方面需考慮剩余整流機組應(yīng)能保證電解槽的保溫電流，以防止設(shè)備損壞和經(jīng)濟損失；另一方面應(yīng)能躲開大閉環(huán)控制中剩余整流機組的電流分擔(dān)能力，以實現(xiàn)負荷的真正切除。

n臺整流機組被切除后應(yīng)能保證電解槽保溫電流，即：

式中：N為整流機組初始運行總臺數(shù)；I為單臺整流機組額定電流；k為單臺整流機組電流系數(shù)，通常取值0~1之間；I額為電解槽額定電流，即系列額定電流；ρ為電解槽保溫電流系數(shù)。

n臺整流機組被切除后應(yīng)能躲過大閉環(huán)控制中剩余整流機組的電流分擔(dān)能力，即：

式中：i0為單臺整流機組初始電流，正常情況下

分別對式（1）和式（2）求解，得到可切除整流機組臺數(shù)n滿足：

令最大可切臺數(shù)nmax為小于等于的最大正整數(shù)，最小可切臺數(shù)nmin為大于等于的最小正整數(shù)，則n是屬于區(qū)間[nmin,nmax]的所有正整數(shù)集合。特別的，當此區(qū)域只包含一個正整數(shù)時，nmax=nmin；當保溫電流裕度較小時，n可能為空集。結(jié)合式（3）可知，該區(qū)間上限為固定值，即保溫電流是由電解槽的固有特性決定的，對應(yīng)保溫電流的最大可切臺數(shù)也是固定的；區(qū)間下限由初始運行狀態(tài)決定，即剩余整流變的電流分擔(dān)能力及最小可切臺數(shù)受初始運行狀態(tài)變化而變化。

當切除n臺整流機組時，切除負荷量Pcut為：

式中：u0為單臺整流機組初始電壓，即系列初始電壓。電解鋁負載響應(yīng)速度慢，在長時間控制過程中電解鋁負載可認為是純電阻負荷[13]，具有線性的伏安特性；但在短時穩(wěn)流控制過程中電壓受電流的變化影響較小，即在切負荷過程中可認為u0維持不變[14]；同時，可定義[Pmin,Pmax]是對應(yīng)[nmin,nmax]的實際切除負荷量區(qū)間，Pcut是該區(qū)間內(nèi)的一些離散值。

2.2 最大可切負荷量

切除負荷量Pcut受到整流機組電流系數(shù)k和切除整流機組臺數(shù)n的共同作用。電流系數(shù)k可根據(jù)控制需要進行人工設(shè)定，當設(shè)定值較高時，相同情況下實際切除負荷量較小，反之實際切除負荷量較大；同時，電流系數(shù)k的取值也會影響n的取值范圍，當k的設(shè)定值過低時，n的取值變小，反倒使實際切除負荷量Pcut降低。

設(shè)函數(shù)k=f(n)并將其表示在二維平面圖內(nèi)，如圖2所示。其中，曲線1對應(yīng)式（1），曲線2對應(yīng)式（2）；kmax為nmax對應(yīng)的最小取值，kmin為nmin對應(yīng)的最大取值。若不考慮單臺整流機組的過載能力，當k=1時n的取值區(qū)間對應(yīng)的可切臺數(shù)最大，隨著k值的變小，可切臺數(shù)的取值也變小；為滿足保溫電流需要，k的取值是位于四邊形ABCD內(nèi)的一些線段；當整流機組切除臺數(shù)取nmax時，適當降低k值，有利于切除更多負荷，當k=kmax時，實際切除負荷最大。

圖2 函數(shù)k=f (n)取值范圍示意圖

由此，當n=nmax時實際切除負荷量可能最大，進一步對kmax和Pmax求解，如式（5）和（6）所示：

上式表明，當切除整流機組臺數(shù)按最大可能臺數(shù)考慮時，通過k值的參數(shù)優(yōu)化，最大可切除負荷量約為故障前功率扣除保溫負荷后的多余部分。

3 穩(wěn)控系統(tǒng)切負荷量分配

穩(wěn)控系統(tǒng)監(jiān)測到主變或相關(guān)斷面線路N-2故障后，根據(jù)故障前主變或斷面功率、過載元件實時電流、功率及方向等信息后，計算得到需切負荷總量：

式中：P0為元件過載動作時功率；Plim為元件過載動作功率定值。

切負荷量采用如下策略在電解廠和其它公用執(zhí)行站之間進行分配：

表1 切負荷量分配策略

4 算例仿真

4.1 算例簡介

為驗證方法的可行性，以云南某市的電解鋁廠為基礎(chǔ)，構(gòu)造以下仿真算例。

電解鋁廠電氣主接線如圖1所示，該電解廠設(shè)計年產(chǎn)原鋁334 kt/a，其中150 kt/a普通鋁錠、184 kt/a合金扁錠；電解系列采用400 kA電解槽306臺（備用6臺），系列電壓1350 VDC，共有整流機組8臺，保溫電流約為系列電流的2/3；全廠負荷共560 MW，年用電量約45億kW.h，采用兩回220 kV線路進行供電。

圖1 云南某400 kA電解鋁系列直流供電方式示意圖

電解鋁廠周邊網(wǎng)架如圖3所示，電網(wǎng)薄弱點位于公用站2和公用站4之間的220 kV斷面，該斷面導(dǎo)線型號為LGJ-400/50，斷面最大輸送功率為565 MW。

圖3 電解鋁廠周邊網(wǎng)架示意圖

4.2 仿真驗證

結(jié)合周邊網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和安穩(wěn)主要控制因素，同時為保證供電可靠性，500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)運行，N-2故障計算結(jié)果如下：

表2 N-2故障計算結(jié)果表

在傳統(tǒng)的穩(wěn)控切負荷方法中，扣除城區(qū)及重要用戶后公用站最大可組織負荷121 MW，若不切除電解鋁負荷則不能滿足需切負荷總量需要；若對電解鋁全廠負荷進行切除，過切374 MW，在該設(shè)區(qū)的地級市最大負荷2370 MW的情況下停電比例為23.6%，將造成一般電力事故。

因此，需考慮對電解鋁廠的部分負荷進行切除。由于整流機組電流系數(shù)k值的選取對于電解鋁可切負荷量有直接影響，以下結(jié)合k值參數(shù)的優(yōu)化分別討論。

1）k值參數(shù)不優(yōu)化

此時k=1，即單臺整流機組最大電流出力可達到額定設(shè)計容量且不考慮過載能力，采用上文方法對電解鋁廠可切負荷量計算如下：

表3 k值參數(shù)不優(yōu)化電解鋁可切負荷計算結(jié)果表

計算結(jié)果表明，k值參數(shù)不優(yōu)化情況下可切整流機組臺數(shù)只有一個取值，即可切4臺，切除負荷量81 MW。與需切總量比較后，執(zhí)行策略1切除電解鋁廠4臺整流機組，公用變電站采用按輪次優(yōu)先級排序的決策方式[15-16]切除負荷111 MW；合計切除負荷192 MW，略有過切，切除全市8.1 %負荷，不造成電力安全事故，滿足控制要求。

表4 k值參數(shù)不優(yōu)化切負荷量分配執(zhí)行

2）k值參數(shù)優(yōu)化后

此時k=kmax，即單臺整流機組最大電流出力未達到額定設(shè)計容量，只有額定出力的kmax倍，采用上文方法對電解鋁廠可切負荷量計算如下：

表5 k值參數(shù)優(yōu)化后電解鋁可切負荷計算結(jié)果表

計算結(jié)果表明，k值參數(shù)優(yōu)化后最大可切負荷量增加，當斷面過載進一步增加后更有利于穩(wěn)控系統(tǒng)切負荷量的組織；同時可切整流機組臺數(shù)有兩個取值，分別為4臺和3臺，對應(yīng)切除負荷量為180 MW和90 MW。與需切總量比較后，執(zhí)行策略1切除電解鋁廠4臺整流機組，公用變電站采用按輪次優(yōu)先級排序的決策方式切除負荷15 MW；合計切除負荷195 MW，略有過切，切除全市8.2%負荷，不造成電力安全事故，滿足控制要求。

表6 k值參數(shù)優(yōu)化后切負荷量分配執(zhí)行

5 結(jié)束語

本文通過分析電解鋁整流系統(tǒng)的控制方法和特性，提出了可計及電解鋁部分負荷的穩(wěn)控切負荷方法，避免了電解鋁全廠停電造成的經(jīng)濟損失和負荷大量過切，進而降低了電力安全事故風(fēng)險，為該類電網(wǎng)的安全穩(wěn)控系統(tǒng)配置和策略研究提供了新的研究思路。

考慮到電解鋁生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性，本文方法是否能在實際中達到理想的控制目標，特別是k值參數(shù)優(yōu)化在電解鋁整流控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，后續(xù)還將進一步研究。